基于在線營養(yǎng)鹽控制的未來污水處理曝氣控制技術應用及展望

北極星環(huán)保網訊:污水處理過程控制及節(jié)能降耗一直是污水處理技術開發(fā)及運營領域的研究熱點，尤其是曝氣過程的優(yōu)化控制，但是基于傳統(tǒng)溶解氧（DO）過程控制的節(jié)能降耗手段已經走向技術困境。本文作者及所在團隊2009年率先將營養(yǎng)鹽在線控制技術、側流活性污泥生物強化工藝耦合活性污泥水解耦合技術引入國內并在國內實現(xiàn)工程化應用，通過多個國內項目進行了實踐。本文結合作者多年工程實踐，介紹了未來污水處理過程控制尤其是曝氣過程優(yōu)化控制的技術發(fā)展方向。

作者簡介：劉智曉（1972-），山東莒縣人，工學博士，高級工程師，主要從事集團化環(huán)境及水務項目設計管理，水務項目方案設計、審核與把關、工藝與設備優(yōu)化，水處理過程優(yōu)化控制、革新污水生物處理新工藝研究與開發(fā)，高效低耗水廠/污水廠提標改造技術等相關領域的工程化應用研究與實踐。

曝氣過程占污水處理過程總能耗的50%～75%，優(yōu)化曝氣過程控制、探索新的運行控制模式是節(jié)能降耗及改善出水水質的關鍵。傳統(tǒng)的污水處理生化曝氣過程是以DO為基礎的PID控制，實踐證明這種控制模式存在諸多缺欠。歐美等發(fā)達國家近些年開始采用基于營養(yǎng)鹽信號為基礎的反饋或前饋/反饋閉環(huán)控制，在改善出水水質的同時，運行能耗可以降低15%～30%。

介紹了以在線NH4+-N/NO-3-N控制信號為基礎的曝氣過程高級控制系統(tǒng)（AOC）的類型、技術優(yōu)勢及實現(xiàn)方式，并結合實際案例介紹了AOC系統(tǒng)實施的方法及效果。

筆者近幾年與國外公司合作，在若干污水廠提標改造工程案例中，率先在國內引進并采用基于在線營養(yǎng)鹽傳感器參與曝氣過程優(yōu)化控制（AOC），取得了很好的效果。這種AOC系統(tǒng)也可以稱之為適時控制系統(tǒng)（RTC），AOC高級控制系統(tǒng)的應用是結合了對傳統(tǒng)污水處理工藝的改造基礎，是“工藝”與“控制”的融合，采用側流生物強化（ARP/SSH）技術耦合AOC控制系統(tǒng)可實現(xiàn)利用原有設施，不增加生物池池容的情況下，可以大幅提高污水廠的水力負荷或有機負荷，同時有效改善了出水水質，實現(xiàn)出水NH4+-N/TN的高標準排放及穩(wěn)定達標。

在綜述國外近幾年基于在線營養(yǎng)鹽曝氣控制系統(tǒng)的研究及應用進展基礎上，結合筆者實踐，探討了AOC控制系統(tǒng)基本特性及實現(xiàn)方法，以期為國內同行在未來污水廠提標改造及節(jié)能曝氣優(yōu)化控制環(huán)節(jié)的提效改造提供借鑒。

1在線監(jiān)測儀表設置點位

目前國內污水處理過程主要在線儀表主要設置在進水和出水端，用于環(huán)保部門對水質的適時監(jiān)管，雖然也設置了進出水的營養(yǎng)鹽指標的儀表，但一般不直接參與工藝過程的在線優(yōu)化控制，是“監(jiān)而不控”。傳統(tǒng)生化過程控制儀表以pH/ORP、MLSS、DO為主，根據生物池不同功能分區(qū)而分別設置上述儀表，這些儀表通過間接的混合液微生境指標來控制生物系統(tǒng)的運行并間接控制出水水質，這是傳統(tǒng)控制模式特點。

改進后的高級控制系統(tǒng)引入在線NH4+-N/NO3-N、PO4-P水質參數(shù)作為生化系統(tǒng)的前饋/反饋控制信號，用于過程優(yōu)化控制，節(jié)能降耗及改善出水水質，實現(xiàn)過程控制與出水水質的聯(lián)鎖耦合。以五段式Bardenpho工藝為例，在線儀表設置點位參見圖1。

圖1基于在線營養(yǎng)鹽控制的污水處理過程儀表設置點位

改進后的控制系統(tǒng)除了監(jiān)測上述常規(guī)微環(huán)境表征指標外，主要改進之處是引入了營養(yǎng)鹽儀表，這些儀表參與生化過程的實時控制。通常在生物反應池不同區(qū)段設置特征性水質監(jiān)測傳感器，如在前置反硝化區(qū)域設置NO3-N監(jiān)測儀表、在硝化區(qū)或生物池出水端設置NH4+-N/NO3-N、PO4-P監(jiān)測儀表，通過水質參數(shù)傳感器實時的監(jiān)測，采用不同的控制邏輯和模式，可通過直接控制生物處理段獲得理想的出水水質。

如在好氧區(qū)末端設置在線NH4+-N/NO3-N傳感器作為后饋信號，生物池末端DO控制水平可以根據出水NH4+-N/NO3-N目標值的高低進行相應的設定值調整。

在線傳感器一般包括在線（on-line）和離線（off-line）兩種類型，在線類型又包括原位（In-situ）和異位（Ex-situ）分析兩種，In-situ主要包括常規(guī)的DO/ORP、pH、MLSS等，傳感器直接設置在曝氣池混合液中；營養(yǎng)鹽儀表多為Ex-situ分析模式，這些儀表一般選擇需要考慮采樣及反應時間，根據取樣、預處理及樣品分析方法的差異，離線分析儀表一般有5~25min的滯后,在線控制需要考慮到Ex-situ儀表信號的滯后性。

國際上主流水質儀表供貨商目前也在線營養(yǎng)鹽傳感器的開發(fā)領域投入了極大的努力，開發(fā)出基于離子選擇電極（ISE）或“UV-可見光”法的In-situ型傳感器，用于實時在線監(jiān)測NH4+-N/NO3-N，這些儀表在歐美一些污水廠已經得到成功應用。

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